Part 5

上帝掷骰子吗?:量子物理史话  作者:曹天元

上次说到,德布罗意的相波引发了新的争论。不仅光和电磁辐射,现在连电子和普通物质都出了问题:究竟是粒子还是波呢?

虽然双方在口头上都不甘示弱,但真正的问题还要从技术上去解决。戴维逊和汤姆逊的电子衍射实验证据可是确凿无疑的,这叫微粒方面没法装作视而不见。但微粒避其锋芒,放弃外围阵地,采取一种坚壁清野的战术,牢牢地死守着最初建立起来的堡垒。电子理论的阵地可不是一朝一夕建成的,哪有那么容易被摧毁?大家难道忘记了电子最初被发现的那段历史了吗?当时坚持粒子说的英国学派和坚持以太波动说的德国学派不是也争吵个不休吗?难道最后不是伟大的J. J. 汤姆逊用无可争议的实验证据给电子定了性吗?虽然26年过去了,可阴极射线在静电场中不是依然乖乖地像个粒子那般偏转吗?老爸可能是有一点古旧和保守,但姜还是老的辣,做儿子的想要彻底推翻老爸的观点,还需要提供更多的证据才行。

微粒的另一道战壕是威尔逊云室,这是英国科学家威尔逊(C. T. R. Wilson)在1911年发明的一种仪器。水蒸气在尘埃或者离子通过的时候,会以它们为中心凝结成一串水珠,从而在粒子通过之处形成一条清晰可辨的轨迹,就像天空中喷气式飞机身后留下的白雾。利用威尔逊云室,我们可以亲眼看见电子的运行情况,从而进一步研究它和其他粒子碰撞时的情形,结果它们的表现完全符合经典粒子的规律。在过去,这或许是理所当然的事情,但现在,对于敌人兵临城下的粒子军来说,这可是一个宝贵的防御工事。威尔逊因为发明云室在1927年和康普顿分享了诺贝尔奖金,这两位都可以说是微粒方面的重要人物。如果1937年戴维逊和汤姆逊的获奖标志着波动的狂欢,那10年前的这次诺贝尔颁奖礼则无疑是微粒方面的一次盛典。不过在领奖的时候,战局已经出乎人们的意料,有了微妙的变化。当然这都是后话了。

捕捉电子位置的仪器也早就有了,电子在感应屏上,总是激发出一个小亮点。嘿,微粒的将军们说,波动怎么解释这个呢?哪怕是电子组成衍射图案,它还是一个一个亮点这样堆积起来的。如果电子是波的话,那么理论上单个电子就能构成整个图案,只不过非常黯淡而已。可是情况显然不是这样,单个电子只能构成单个亮点,只有大量电子的出现,才逐渐显示出衍射图案来,这难道不是粒子的最好证据吗?

在电子战场上苦苦坚守,等待转机的同时,微粒与光的问题上则主动出击,以争取扭转整体战略形势。在康普顿战役中大获全胜的它得理不饶人,大有不把麦克斯韦体系砸烂不罢休的豪壮气概。到了1923年夏天,波特(Walther Bothe)和威尔逊用云室进一步肯定了康普顿的论据,而波特和盖革(做α粒子散射实验的那个)1924年的实验则再一次极其有力地支持了光量子的假说。虽然麦克斯韦理论在电磁辐射的领土上已经有60多年的苦心经营,但微粒的力量奇兵深入,屡战屡胜,叫波动为之深深头痛,大伤脑筋。

就在差不多的时候,爱因斯坦也收到了一封陌生的来信,寄信地址让他吃惊不已:居然是来自遥远的印度!写信的人自称名叫玻色(S. N. Bose),他谦虚地请求爱因斯坦审阅一下他的论文,看看有没有可能发表在《物理学杂志》(Zeitschrift für Physik)上。爱因斯坦一开始不以为意,随手翻了翻这篇文章,但马上他就意识到,他收到的是一个意义极为重大的证明。玻色把光看成是不可区分的粒子的集合,从这个简单的假设出发,他一手推导出了普朗克的黑体公式!爱因斯坦亲自把这篇重要的论文翻译成德文发表,他随即又进一步完善玻色的思想,发展出了后来在量子力学中具有举足轻重地位的玻色-爱因斯坦统计方法。服从这种统计的粒子(比如光子)称为“玻色子”(boson),它们不服从泡利不相容原理,这使得我们可以预言,它们在低温下将表现得非常不同,形成著名的玻色-爱因斯坦凝聚现象。2001年,3位分别来自美国和德国的科学家因为以实验证实了这一现象而获得诺贝尔物理学奖,不过那已经超出我们史话所论述的范围了。

上帝掷骰子吗?:量子物理史话
图4.10 玻色

玻色-爱因斯坦统计的确立是微粒在光领域的又一个里程碑式的胜利。原来仅仅把光简单地看成全同的粒子,困扰人们多时的黑体辐射和别的许许多多的难题就自然都迎刃而解!这叫微粒又扬扬得意了好一阵子。不过,就像当年的汉尼拔,它的胜利再如何辉煌,也仍然无法摧毁看上去牢不可破的罗马城——电磁大厦!无论它自我吹嘘说取得了多少战果,在双缝干涉条纹前还是只好忍气吞声。反过来,波动也是处境艰难。它只能困守在麦克斯韦的城堡内向对手发出一些苍白的嘲笑,面对光电效应等现象,仍然显得一筹莫展,束手无策。波动后来曾经发动过一次小小的突击,试图绕过光量子假设去解释康普顿效应,比如J. J. 汤姆逊和金斯等人分别提出过一些基于经典理论的模型,但这些行动都没能达到预定的目标,最后均不了了之。在另一方面,波动企图在短期内闪电战灭亡电子的战略意图,则因为微粒联合军的顽强抵抗很快就化作泡影,整个战场再次陷入僵持。

人们不久就意识到,无论微粒还是波动,其实都没能在“德布罗意事变”中捞到实质性的好处。双方各派出一支奇兵,在对手的腹地内做活一块,但却没有攻占任何有重大战略意义的据点。在老战线上,谁都没能前进一步,只不过现在的战场被无限扩大了而已。第三次波粒战争不可避免地演变为一场旷日持久的拉锯战,谁也看不到胜利的希望。

玻尔在1924年曾试图给这两支军队调停,他和克喇默斯还有斯雷特(J. C. Slater)发表了一个理论,以三人的首字母命名,称作BKS理论。BKS放弃了光量子的假设,但尝试运用对应原理,在波和粒子之间建立一种对应,这样一来,就可以同时从两者的角度去解释能量转换。可惜的是,波粒正打得眼红,哪肯善罢甘休,这次调停成了外交上的彻底失败,不久就被实验所否决。战火熊熊,燃遍物理学的每一寸土地,同时也把它的未来炙烤得焦糊不清。

1925年,物理学真正走到了一个十字路口。它迷茫而又困惑,不知道前途何去何从。昔日的经典辉煌已经变成断瓦残垣,一切回头路都被断绝。如今的天空浓云密布,不见阳光,在大地上投下一片阴影。人们在量子这个精灵的带领下一路走来,沿途如行山阴道上,精彩目不暇接,但现在却突然发现自己已经身在白云深处,彷徨而不知归路。放眼望去,到处是雾茫茫一片,不辨东南西北,叫人心中没底。玻尔建立的大厦虽然看起来还是顶天立地,但稍微了解一点内情的工程师们都知道它已经几经裱糊,伤筋动骨,摇摇欲坠,只是仍然在苦苦支撑而已。更何况,这个大厦还凭借着对应原理的天桥,依附在麦克斯韦的旧楼上,这就更教人不敢对它的前途抱有任何希望。在另一边,微粒和波动打得烽火连天,谁也奈何不了谁,长期的战争已经使物理学的基础处在崩溃边缘,它甚至不知道自己是建立在什么东西之上。

当时有一个流行的笑话:“物理学家们不得不在星期一三五把世界看成粒子,在二四六则把世界看成波。到了星期天,他们干脆就呆在家里祈祷上帝保佑。”

不过,我们也不必过多地为一种悲观情绪所困扰。在大时代的黎明到来之前,总是要经历这样的深深的黑暗,那是一个伟大理论诞生前的阵痛。当大风扬起,吹散一切岚雾的时候,人们会惊喜地发现,原来他们已经站在高高的山峰之上,极目望去,满眼风光。

那个带领我们穿越迷雾的人,后来回忆说:“1924年到1925年,我们在原子物理方面虽然进入了一个浓云密布的领域,但是已经可以从中看见微光,并展望出一个令人激动的远景。”

说这话的是一个来自德国的年轻人,他就是沃尔纳•海森堡(Werner Heisenberg)。物理学的天空终于要云开雾散,露出璀璨的星光让我们目眩神迷。而这个名字,则注定要成为最华丽的星座之一,它散射出那样耀眼的光芒,照亮整个苍穹,把自己镌刻在时空和历史的尽头。

饭后闲话:被误解的名言

这个闲话和今天的正文无关,不过既然这几日讨论牛顿,不妨多披露一些关于牛顿的历史事实[本文最初写成于网上。写到这段的时候,论坛里正在讨论关于牛顿的事情。]。

牛顿最为人熟知的一句名言是这样说的:“如果我看得更远的话,那是因为我站在巨人的肩膀上”(If I have seen further it is by standing on ye shoulders of Giants)。这句话通常被用来赞叹牛顿的谦逊,但是从历史上来看,这句话本身似乎没有任何可以理解为谦逊的理由。

首先这句话不是原创。早在12世纪,伯纳德(Bernard of Chartres,他是中世纪的哲学家,著名的法国沙特尔学校的校长)就说过:“Nos esse quasi nanos gigantium humeris insidientes”。这句拉丁文的意思就是说,我们都像坐在巨人肩膀上的矮子。这句话,如今还能在沙特尔市那著名的哥特式大教堂的窗户上找到。从伯纳德以来,至少有二三十个名人在牛顿之前说过类似的话,明显是当时流行的一种套词。

牛顿说这话是在1676年给胡克的一封信中。当时他已经和胡克在光的问题上吵得昏天黑地,争论已经持续多年(可以参见我们的史话)。在这封信里,牛顿认为胡克把他(牛顿自己)的能力看得太高了,然后就是这句著名的话:“如果我看得更远的话,那是因为我站在巨人的肩膀上。”

结合前后文来看,这是一次很明显的妥协:我没有抄袭你的观念,我只不过在你工作的基础上继续发展——这才比你看得高那么一点点。牛顿想通过这种方式委婉地平息胡克的怒火,大家就此罢手。但如果要说大度或者谦逊,似乎很难谈得上。牛顿为此一生记恨胡克,哪怕几十年后,胡克早就墓木已拱,他还是不能平心静气地提到这个名字,这句话最多是试图息事宁人的外交辞令而已。

更有历史学家认为,这句话是一次恶意的挪揄和讽刺——胡克身材矮小,用“巨人”似乎暗含不怀好意。持这种观点的甚至还包括著名的史蒂芬•霍金,讽刺的是,正是他如今坐在当年牛顿剑桥卢卡萨教授的位子上。

牛顿还有一句有名的话,大意说他是海边的一个小孩子,捡起贝壳玩玩,但还没有发现真理的大海。这句话也不是他的原创,最早可以追溯到Joseph Spence(约瑟夫•斯彭斯)。但牛顿最可能是从约翰•弥尔顿的《复乐园》中引用(牛顿有一本弥尔顿的作品集)。这显然也是精心准备的说辞,牛顿本人从未见过大海,更别提在海滩行走了[牛顿极少旅行,所到过的地方一目了然。牛顿从未见过大海是传统的说法,不过读者也可以参看一下White 1997。]。他一生中见过的最大的河也就是泰晤士河,很难想象大海的意象如何能自然地从他的头脑中跳出来。

我谈这些,完全没有诋毁谁的意思。我只想说,历史有时候被赋予了太多的光圈和晕轮,但还原历史的真相,是每一个人的责任,不论那真相究竟是什么。同时,这也丝毫不影响牛顿科学上的成就——他是整个近代科学最重要的奠基人,使得科学最终摆脱婢女地位而获得完全独立的象征人物,有史以来第一个集大成的科学体系的创立者。从这个意义上来说,牛顿毫无疑问是有史以来最伟大的科学家,无论是伽利略、麦克斯韦、达尔文,还是爱因斯坦,均不能望其项背。

上一章:Part 4 下一章:Part 1
网站所有作品均由网友搜集共同更新,仅供读者预览,如果喜欢请购买正版图书!如有侵犯版权,请来信告知,本站立即予以处理。
邮箱:yuedusg@foxmail.com
Copyright@2016-2026 文学吧